导水陷落柱突水淹井的综合治理技术

1　引言 　　岩溶陷落柱是埋藏在煤系地层下部的巨厚可溶岩体，在地下水溶蚀作用下，形成巨大的 岩溶空洞。空洞顶部岩层，当其失去对上覆岩体支撑能力时，上覆岩体在重力作用下向下垮 落，充填于溶蚀空间中，因其剖面形态似一柱体，故称岩溶陷落柱。我国岩溶陷落柱多发育 于北方石炭二叠系煤田，在山西、河北、河南、陕西、山东、江苏、安徽等20多个煤田中， 已发现陷落柱45处，总数已接近3000个，特别是山西、河北较多，尤以汾西两岸、太行山两 侧煤田为多，如西山矿区已发现陷落柱1300多个，密度可达到70个/km2。岩溶陷落柱的这 种 特殊地质现象的存在，不仅破坏煤层，减少可采储量，影响巷道的掘进和煤层的开采，而且 是特殊的导水通道，是很难防治的充水因素。我国开滦、焦作、皖北、徐州、邢台等矿区都 发生过特大陷落柱突水淹井事故，造成了重大的经济损失和社会影响，其中开滦范各庄矿突 水 淹井事故是世界采矿史上最大的一次淹井事故。尽管陷落柱突水淹井事故难以有效预防，但 突水后可以采取综合治理技术将复矿的时间大大缩短，将灾害损失降低到最低限度。本文重 点探讨我国陷落柱突水淹井的综合治理技术。 　　2　导水陷落柱的基本特征 　　陷落柱的导水性可分为3种类型：强充水型、边缘充水型、弱充水型。从已发现的陷落 柱来看，绝大多数的陷落柱是弱充水型，陷落柱内充填物压实紧密，风化程度极强，边缘裂 隙水已被疏降，煤矿在回采过程中，没有水或少量滴水；边缘充水型的陷落柱内充填物压实 紧密，风化程度较强，柱内水力联系不好，只是陷落柱边缘发育的次生裂隙充水，对奥灰水 的导通性不好，采掘工程揭露时一般以淋、滴水为主，涌水量不大；强充水型陷落柱内充填 物未被压实，柱内水力联系良好，直接导通奥灰高压水，沟通了煤系地层各含水层，采掘工 程一旦揭露就发生突水，水量大而稳定，对矿井造成灾难性的淹井事故，防排水设施很难起 作用，建国后我国已发生多起陷落柱突水淹井事故，详见表1。 　　3　综合治理技术 　　3.1　巷道截流技术 　　打钻命中巷道，钻孔终孔孔径不小于110mm，打透巷道后先投注骨料，再注浆加压， 最后引流注浆。适用条件：陷落柱突水点位于独头巷道，巷道加固较好。关键技术：巷道的 测量资料准确，钻孔定位正确，命中巷道的几率100%，灌注骨料先粗后细，动水条件下，可 投注骨料30～50mm，静水条件下，可投注细砂，注骨料后期要反复捅孔，当吸水系数小于5 ～8l/min·m时，方可进行注浆。 　　徐州张集煤矿1997年2月18日矿井西-300水平21号煤层轨道下山发生陷落柱突水，最大 突水量402m3/min，从发现淋水到淹井仅10h。发生突水后，首先在轨道下山布置了3个透 巷孔，注入骨料 　　表1　陷落柱突水淹井一览（略） 210m3，在3个截流孔注入水泥4960t时，奥灰水水位持续上升，比副井水位高出 19.5m，表明巷道截流已见成效，水流由“管道流”变为“渗透流”，副井可以开始引流注 浆。引流注浆期间，又在3个截流孔注入水泥1629t，为了防止陷落柱内部奥灰水对煤系地层 的影响，在陷落柱内部相当于奥灰顶界面附近建造“止水塞”，施工3个钻孔，共注入水泥 2421t，本工程累计注入水泥9010t，堵水率100%，整个工期历时98d。 　　3.2　建立“止水塞”技术 　　查清陷落柱的基本形态后，沿陷落柱的边缘钻进至一定深度后导斜进入陷落柱，在可 采煤层之下一定深度建造一定厚度的“止水塞”，切断奥灰水与煤系地层的水力联系。适 用条件：突水构造基本确定，在巷道截流技术不能快速封堵成功的情况下，采取“止水塞” 封堵方法。关键技术：首先要判断确定陷落柱的构造位置，再利用定向导斜技术，使钻孔的 轨迹沿陷落柱的边缘钻进，到一定深度后再导斜进入陷落柱；定向导斜钻探技术的成功是决 定堵水成功的关键。 　　皖北任楼煤矿1996年3月4日发生特大陷落柱突水，最大突水量达到576m3/min，从发 生滴淋水到淹井仅8.5h。淹井后，考虑到突水点附近巷道为煤巷，利用巷道截流后不 能 确保矿井排水后巷道截流的安全可靠性，为尽快恢复生产，制定了在陷落柱中建立“止水塞 ”快速切断水源的方案。“止水塞”的位置选在最下部可采煤层以下15～75m砂岩段，厚60m 。沿陷落柱边缘施工的4个钻孔，从不同方向导斜进入陷落柱进行注浆，注入7600t水泥后， 经 计算60m“止水塞”已基本形成，若继续加压注浆，浆液将大量流失，对“止水塞”附近的 细小裂隙也起不到加固作用。为了对“止水塞”进行加固，实施在副井引流排水，各注浆孔 正常注浆，并根据副井和长观孔的水位调节注浆量。引流注浆期间又注入水泥7432t， 各注浆孔均达结束标准，副井水位已排至井底，堵水率达100%。本工程共施工探查孔5个， 截流孔1个，注浆孔5个，检查加固孔2个，注骨料130m3，注水泥15032 t ，实现了当年突 水，当年治理，当年恢复生产。 　　3.3　陷落柱“三段式”堵水技术 　　陷落柱突水后，在顶部留下空洞，并且在动水条件下，打钻先命中陷落柱顶部的空洞， 充填骨料将动水流变为渗透流，再在陷落柱下部建立止水段和加固段，俗称“三段式”堵水 技术。 　　1984年6月2日，开滦范各庄煤矿2171工作面发生特大陷落柱突水，最大突水量达2053m3/m in，全矿停产，同时造成吕家坨和林西矿淹井，与其相邻的的赵各庄矿、唐家庄矿也受到地 下水的严重威胁。经勘探查明，该陷落柱体积大，柱内水流速度快，顶部又有空洞，决定采 用上部灌注骨料充填压实，中部注浆堵截通道，下部充填灌注拦截水源的三段式综合治水技 术。首先对陷落柱顶部8～32m高的空洞充填骨料30681m3，通过充填骨料使得陷落柱中被 水 流冲动的破碎岩块在上部荷重加大的情况下，得到压实增加阻水能力；上部充填骨料完成之 后，在12#煤层以下到唐山灰岩之间，该段高约100m左右，这一段的注浆孔在400m深处进 入陷 落柱，用下行法注浆到500m左右；由于开始在动水条件下注浆，故从下部奥灰含水层部位进 行 充填骨料，以增加阻力，拦截水源，降低流速，为中段注浆堵水创造条件，并对中段的“堵 水塞”起到支撑、防止松动坍塌破坏作用。本工程共打钻24829m，注水泥62900t，砂子4756 m3，石碴25925m3，水玻璃4269t，粉煤灰300t，合计注入约100000m3的充填物，堵水 效果100%。 　　3.4　直接封堵技术 　　陷落柱的发育高度较低时，一般发育高度到奥灰上部的石炭纪地层，可直接从地面打钻命中 陷落柱采用下行法直接注浆。 　　河南安阳铜冶矿1965年发生的陷落柱突水，最大突水量为23m3/min，造成全井淹没。突 水后直接在陷落柱的上部打钻，命中陷落柱后，通过钻孔充填砂石形成砂垫后进行注浆加固 。为了封堵陷落柱体内的形态多样和大小不一的空隙，通过不同位置的钻孔和同一钻孔的不 同深度反复多次灌注砂石和水泥浆，共注入砂石1622m3，注入水泥2454t，堵水率100%。 这种注浆工艺适合于静水条件下岩溶陷落柱的导水通道注浆。 　　3.5　返流注浆技术 　　陷落柱的突水在截流基本成功后，为了减少打钻的数量，加快堵水进程，在陷落柱构造 范围不确定的情况下，可在截流堵水段与突水陷落柱之间打1～2个钻孔，通过下行法加 压注浆返流加固陷落柱的空隙。 　　辉县市吴村煤矿32031工作面1999年11月15日发生隐伏陷落柱突水，最大突水量40m3/min ，突水后陷落柱冲出的岩石破碎物堵死了下副巷，突水从上副巷流入一水平。工程布置3个 钻孔，其中注1孔布设在工作面上安全口下侧3m处，主要是打中棚架区进行骨料注浆，对 上副巷进行截流，迅速降低水量，防止全井淹没，使水流由管道流变为渗透流；查1孔布设 在上安全口下侧20m处突1附近，查2孔布设在工作面下安全口上5m处突2附近。在注1孔截流 成功后利用查1和查2孔进行了返流注浆，注1孔注骨料1123m3，注水泥307t；查1孔注骨料 100m3后，突水点水量已减少了32m3/min；查1孔和查2孔利用注1孔截流成功后分别返流 注入水泥405t和1561t，井下突水点封堵成功，堵水率达100%。工程累注骨料1535m3，累 注水泥2273t，时间仅用70天（扣除天气、工农关系、停电等因素影响），创造了显著的经 济效益。 　　3.6　引流注浆技术 　　在注浆封堵导水陷落柱通道基本成功后，为了防止在加压注浆条件下，浆液的大量 流失，利用井筒排水，既可对注浆堵水进行检验，同时还可以加固突水点附近的细小裂隙， 加快注浆堵水进度和复矿速度。引流注浆的时期和注浆量取决于长观孔水位和井筒的排水情 况，引流注浆期间长观孔水位若下降则应加大注浆量，或停止引流排水；引流注浆期间若长 观孔水位不下降，则可根据钻孔吸浆情况继续加固注浆。 　　邢台东庞矿二水平南翼2903工作面下副巷于2003年4月12日发生陷落柱特大突水，最大突 水量1167m3/min，造成全井淹没。为了尽快恢复生产，拟在突水点以外的巷道布置透巷孔 进 行封堵巷道。布孔原则：沿突水巷道的突破口向外5m处布置1号钻孔，自1号孔以外每15m布 一个孔，共布8个孔进行骨料充填注浆，以便形成105m长的巷内堵水段，截断过水通道。第 一阶段依次施工了1号、6号、8号、7号、3号、4号孔，其中1号孔提前遇见陷落柱，作为注 浆期间的水文观测孔，其它5个孔透巷后，充填骨料和加压注浆。由于陷落柱突水冲出的破 碎岩石较多，在巷道累注骨料4586m3，比设计注骨料减少2/3。注浆采用了气动射流 搅 拌系统，最高日注灰量达634t，大大加快了堵水进度，5个透巷截流孔共注入水泥17214t， 对巷内和巷顶以上裂隙进行了多次反复的高压注浆，终压达10MPa。第二阶段施工了2号和5 号孔，其中5号孔为截流段中部的检查加固孔，2号孔为截流段尾部的检查加固孔，5号孔又 加压注浆476t，达到了终压终量，副井水位持续下降，奥灰长观孔水位持续上升，表明巷 道已基本封死。第三阶段开始引流注<